К уточнению механизма физико-химической эрозии лицевого слоя кладки наружных стен жилых домов массового периода строительства в условиях длительной эксплуатации
Сугоняко Илья Сергеевич
Самофеев Никита Святославович
Аннотация
кладка деформация усадка материал
В послевоенный период активное развитие получила силикатная отрасль промышленности строительных материалов. С использованием силикатного кирпича возведено более миллиарда квадратных метров комфортного жилья для жителей нашей страны, большое количество социальных объектов, а также различные фонды производственных объектов.
В городах Республики Башкортостан возведен достаточно приличный жилой фонд по старым массовым сериям с использованием силикатного кирпича -- порядка 20 млн м2, из них только в столице -- г. Уфе более 6.
Очевидно, что атмосфера крупных городов более агрессивна по сравнению сельской местностью и материалы каменной кладки наружных стен испытывают целый комплекс физико-химических воздействий от внешней среды. В связи, с чем возникает необходимость уточнения модели механизма деструкции элементов кладки наружных стен на основе силикатных материалов, протекающей в естественных условиях длительной эксплуатации.
В работе показаны основные связи работоспособности лицевого слоя силикатной кладки от развития необратимых неравномерных деформаций от усадки и набухания в период замачивания и осушения в летний период в комплексе с замораживания-оттаивания в осенне-весенний период, приводящих к физической эрозии слоев материалов.
Авторами уточняется роль химической коррозии и карбонизации, протекающих в микроструктуре силикатных материалов в условиях действия углекислого газа (и связанной с поровой влагой углекислоты). Показывается влияние роли массопереноса в поровом пространстве поверхностного слоя силикатного кирпича, приводящих в совокупности к образованию высолов на переувлажненных областях кладки стен и их связи с деструктивными процессами при физической эрозии.
Для повышения работоспособности лицевого слоя кладки наружных стен домов массовой постройки, эксплуатирующихся в длительных естественных условиях крупных городов, характерных для средней полосы России, необходимы в первую очередь, комплексные меры по их гидрозащите, ограничивающей попадание влаги в структуру материалов.
Ключевые слова: физическая эрозия; карбонизация; силикатный кирпич; наружные стены жилых домов; длительная эксплуатация; механизм деструкции; микроструктура силикатных материалов; углекислотная коррозия
Sugonyako Ilya Sergeevich
Samofeev Nikita Svyatoslavovich
Towards clarification of the mechanism of physico-chemical erosion of the facing layer of masonry of external walls of residential buildings of the mass construction period under conditions of long-term operation
Abstract
In the post-war period, the silicate industry of building materials received active development. More than a billion square meters of comfortable housing for the residents of our country, a large number of social facilities, as well as various production facilities have been built using sand-lime brick.
In the cities of the Republic of Bashkortostan, a fairly decent housing stock has been built using old mass series using sand-lime bricks -- about 20 million m2, of which more than 6 are in the capital city of Ufa alone.
It is obvious that the atmosphere of large cities is more aggressive compared to rural areas and the masonry materials of external walls experience a whole range of physical and chemical influences from the external environment. In connection with this, there is a need to clarify the model of the mechanism of destruction of masonry elements of external walls based on silicate materials, which occurs under natural conditions of long-term operation.
The work shows the main connections between the performance of the front layer of silicate masonry and the development of irreversible uneven deformations from shrinkage and swelling during the period of soaking and drying in the summer in combination with freezing-thawing in the autumn-spring period, leading to physical erosion of layers of materials.
The authors clarify the role of chemical corrosion and carbonization occurring in the microstructure of silicate materials under the action of carbon dioxide (and carbon dioxide associated with pore moisture). The influence of the role of mass transfer in the pore space of the surface layer of sand-lime brick, which together leads to the formation of efflorescence in waterlogged areas of masonry walls and their connection with destructive processes during physical erosion, is shown.
To increase the performance of the facing layer of masonry of the external walls of mass-built houses operating in long-term natural conditions of large cities, characteristic of central Russia, it is necessary, first of all, to take comprehensive measures to protect them from waterproofing, limiting the penetration of moisture into the structure of the materials.
Keywords: physical erosion; carbonization; silicate brick; external walls of residential buildings; long-term operation; mechanism of destruction; microstructure of silicate materials; carbon dioxide corrosion
Актуальность
Активизация жилищного строительства в период восстановления жилого фонда страны в послевоенный период была неразрывно связана с необходимостью применения таких строительных материалов и технологий, которые бы обеспечили одновременно и высокие темпы создания продукции и надежные капитальные объекты с высокими потребительскими свойствами.
Активное использование керамического кирпича сковывалось длительным сроком изготовления керамических изделий, что не позволяло решать поставленную задачу создания большого объема капитальных строений в этот период, в связи с чем, для компенсации этого технологического фактора активное развитие получила отрасль силикатных материалов автоклавного твердения [1]. Это способствовало развитию научно-технических знаний в области производства силикатных строительных материалов.
Жилой фонд страны насчитывает порядка полутора млрд м2 жилого фонда, построенного в период СССР (с середины 1940-х г. -- до 1980-х гг.) по массовым сериям из силикатного кирпича. Статистический сборник: «Капитальное строительство СССР» // Госкомстат СССР. -- М.: Финансы и статистика, 1988. -- 246 с. В том числе в Республике Башкортостан -- около 20 млн м2, где на столицу -- г. Уфа приходится более 6.
Авторами уже предпринималась попытка проанализировать основные факторы физико-химической природы, действующие на ограждающие стеновые конструкции жилых домов на основе силикатного кирпича в долгосрочном периоде эксплуатации [2; 4], характерные для условий крупного промышленного города (г. Уфа). К которым были отнесены: климатические (факторы внешней среды, качество эксплуатации) и силовые воздействия в комплексе с физико-химической коррозией и следами эрозии материалов конструкций лицевых элементов кладки.
Очевидно, что силикатный кирпич и кладочный раствор в силу особенностей их работы в кладке наружной стены будет подвергаться целому комплексу воздействий со стороны внешней среды, таких как замачивание, осушение, температурные изменения, химическому действию различных кислот и газов, растворенных в дождевой воде, абразивному действию ветра и песка и пр.
Также было установлено [4], что атмосферостойкость силикатного кирпича и кладочного раствора в лицевом слое кладки наружных стен жилых домов во многом зависит от структуры и микроструктуры гидросиликатных фаз и пор для силикатного материала и цементного камня.
Известно [5], что основные свойства силикатного кирпича обеспечиваются содержанием гидросиликатных фаз различной основности: высокоосновные обеспечивают атмосферостойкость и морозоустойчивость, а низкоосновные -- формируют прочностные (марочные) характеристики и влияют на его долговечность [6].
В связи с тем, что фазовый состав силикатного материала со временем претерпевает изменения [2], было установлено, что деградация основности связана с наличием жидкой фазы и выкристаллизацией карбоната кальция (CaCO3) из жидкой фазы в поровом пространстве, приводящей к изменению твердой фазы в структуре силикатного материала [3].
Однако вопрос формирования механизма деструкции силикатного материала в естественных природно-климатических условиях эксплуатации и его особенностей в условиях действия комплекса факторов внешнего воздействия на периодах длительного срока службы изучен не до конца.
С целью уточнения механизма деструкции была сформулирована модель физико-механических изменений структуры элементов кладки с учетом комплекса действия факторов внешней среды в условиях естественной эксплуатации, влияния пор и физико-химических процессов карбонизации.
Моделирование процессов физической деструкции
Общие процессы механизма деструкции силикатного кирпича и кладочного раствора при физической коррозии и эрозии в естественных условиях эксплуатации можно разделить на два последовательных цикла [7]: попеременное замачивание и осушение (как правило, летний или теплые периоды года), второй -- замораживание-оттаивание (холодные периоды года, осенне-весенний годовой цикл).
Деструктивное действие в конструкции наружной стены в первую очередь концентрируется в поверхностном (до 15 мм) и приповерхностном слоях (до 50 мм) кладки. Многолетний характер деструкции этих слоев показан на рисунках 1, 3.
(а) (б) (в)
Рисунок 1. Примеры выветривания раствора и шелушения поверхности силикатного кирпича в конструкции наружной стены жилого здания: (а) дворовой фасад жилого дома 1942 г. строительства; (б) торец жилого дома 1953 г.; (в) торец жилого дома 1975 г. (подготовлено авторами)
В силу естественности природно-климатических воздействий, невозможно математически или с высокой степенью достоверности описать модель выпадения осадков, солнечной активности, ветра, снега, температурных изменений на 80-летнем периоде эксплуатации домов из силикатного кирпича в крупном городе, авторами сформулирована модель с позиции сопротивления материалов на действия факторов внешней среды.
Общий принцип первого цикла физической коррозии и эрозии поверхностных участков материалов кладки представляет (рис. 2) собой попеременное увлажнение и высушивание наружного поверхностного слоя кирпича и раствора [8].
В связи, с чем возникают неравномерные в объеме деформации от усадки и набухания в силу действия механизмов сорбционного и десорбционного характера [9], сопряженные с силами капиллярного стягивания, приводящих к внутренним локальным напряжениям и структурным повреждениям материалов. Это объясняет требования к влагостойкости материалов, зависящих от количества циклов увлажнения-усадки и их амплитуды [7].
Пояснения к рисунку: 1 -- направление миграции десорбционной влаги к наружной (теплой) поверхности; 2 -- направление миграции адсорбционной влаги вглубь материала; 3 -- напряжения, возникающие в структуре от усадки материала; 4 -- напряжения, возникающие в материале от «набухания» влагой; 5 -- деформации в объеме материала вследствие усадки; 6 -- деформации в объеме материала возникающие вследствие «набухания» от избытка влаги; 7 -- деформации в объеме материала, возникающие вследствие сопротивления жестких связей структуры материала усадке; 7' -- деформации в объеме материала, возникающие от «набухания» массива выше сорбционной влажности и гидростатического давления льда в поровом пространстве материала; А, Б, В -- слои интенсивности глубины промерзания материала в зимнее время года (A -- более интенсивный, В -- менее)
Рисунок 2. Моделирование механизма физической коррозии и эрозии в структуре силикатного материала (подготовлено авторами)
На силу действия этого фактора определенным образом влияет пористость материалов, влажность атмосферного воздуха, количество и интенсивность осадков, количество солнечных дней в году, а также ветер.
В осенне-весенний периоды года к процессам усадки и набухания подключаются процессы замораживания и оттаивания приповерхностных и поверхностных слоев каменной кладки, в первых более активно.
При попеременных температурных переходах через 0°С влажная среда поверхностного слоя кирпича и кладочного раствора претерпевает фазовое изменение с увеличением объема (до 9 %). Твердая фаза испытывает давление ото льда и гидростатическое давление не замерзшей воды, но захваченной льдом, не давая ей перейти в резервные поры [7].
Особенностью описанного механизма является то, что он реализуется многократными повторными воздействиями с необратимым накоплением повреждений в совокупности циклов «намокания-замораживания-оттаивания» на длительном периоде эксплуатации в естественных условиях среды. И проявляется полной деструкцией микроструктуры, в первую очередь, поверхностного слоя (рис. 3), как в материале кирпича, так и цементного раствора в кладке наружной стены и характеризуется для неё общим снижением прочности, эстетичности, атмосферостойкости и деградацией работоспособности лицевого слоя, снижением площади эффективного сечения.
(а) (б)
Рисунок 3. Физическая коррозия и эрозия кладки наружных стен жилых домов: (а) жилой дом 1942 г. (глубина до 8-10 мм); (б) жилой дом 1965 г. (глубина до 3-4 мм) (подготовлено авторами)
Влияние химической коррозии, карбонизации и пор
Как уже было показано ранее в структуре материалов действует комплекс химических реакций [2; 3; 9], включающий карбонизацию (в силу специфичности минералогического состава силикатного кирпича и кладочного раствора) и химических реакций коррозии от агрессивных газовых и жидких сред атмосферы (особенно в крупных городах (от выхлопа транспорта, выбросов промышленных предприятий, парникового эффекта и пр.)). В целом, способность восприятия таких воздействий строительными материалами обуславливает их химическая стойкость.
Наиболее существенное влияние на карбонизационные процессы в условиях естественной эксплуатации оказывает углекислый газ, в определенной мере присутствующий в атмосфере городов (при этом в сельской местности его содержание в атмосфере может достигать до 600 мг/м3, а в условиях крупных городов может повышаться до 10-15 раз).